突破能耗瓶颈！加州理工团队实现2.6倍频程相干光频梳，集成光子学迎来新里程碑

作者：欧光科技发表时间：2025-09-15 14:56:03

在精密测量、量子通信、生物成像等前沿领域，光频梳被誉为“光学界的尺子”——它能产生一系列频率均匀间隔的相干光，为超高精度的频率与时间测量、广谱物质分析提供核心支撑。然而，长期以来，集成光频梳的发展受限于一个关键瓶颈：高能耗。传统微腔光频梳往往需要纳焦耳甚至微焦耳量级的泵浦能量，这与“芯片级集成”的发展趋势严重相悖，也制约了其在便携式设备、低功耗系统中的应用。

近日，加州理工学院AlirezaMarandi团队在《NaturePhotonics》发表重磅成果，他们以薄膜铌酸锂（TFLN）为平台，设计出一款纳米光子学光学参量振荡器（OPO），首次用飞焦耳量级的泵浦能量实现了多倍频程相干光频梳，不仅将能耗降低数个数量级，更刷新了集成光频梳的光谱覆盖与相干性能纪录。

从“高耗”到“低耗”：两大核心技术破解瓶颈

要实现低能耗下的宽谱相干光频梳，关键在于解决两个核心问题：如何拓宽参量增益带宽，以及如何摆脱传统微腔对色散的严苛限制。Marandi团队通过“极端色散工程”与“独特谐振腔设计”的组合方案，完美突破了这两大障碍。

1.极端色散工程：让光“同步奔跑”

在光学参量过程中，泵浦光与产生的信号光（泵浦光的半谐波）若“跑速不一”——即存在群速度失配（GVM）或群速度色散（GVD），会导致能量无法有效传递，增益带宽被严重压缩。团队通过优化TFLN波导的微观结构，精准调控光在波导中的传播特性，最终实现了泵浦光与信号光附近的GVM和GVD“几乎为零”。

这一设计相当于让泵浦光与信号光“同步奔跑”，能量能高效、均匀地在不同频率成分间传递，极大拓宽了参量增益的带宽，为后续超宽光谱的产生奠定了基础。

2.低品质因数谐振腔：只“留”关键光，摆脱色散束缚

传统微腔光频梳对色散的要求极为苛刻——需精确调控色散曲线以满足“solitons（光孤子）”形成条件，否则难以产生稳定的相干梳。而Marandi团队反其道而行之，设计了一款低品质因数（lowfinesse）谐振腔：它仅对泵浦光的半谐波频率附近的光产生谐振，让信号光在腔内持续放大；而泵浦光及其高次谐波则“非谐振”，直接穿过腔體参与能量转换。

这种“选择性谐振”设计彻底摆脱了传统微腔对色散的严格依赖，既简化了制备工艺，又为宽谱相干光的产生提供了更灵活的条件。

三大突破性成果：从能耗到光谱的全面跃升

基于上述技术方案，团队取得了三项足以改写集成光频梳发展格局的成果：

1.创纪录超低阈值：18飞焦耳开启“低耗时代”

OPO的“振荡阈值”是衡量能耗的核心指标——阈值越低，意味着启动器件所需的能量越少。团队实现了约18飞焦耳（fJ）的振荡阈值，这一数值较此前集成OPO的最佳水平降低了数个数量级（传统集成OPO阈值多在纳焦耳级别，1纳焦耳=1000飞焦耳）。

这意味着，未来集成光频梳系统无需依赖高功率激光器，仅需极低的能量就能驱动，为便携式、电池供电的高精度光学设备提供了可能。

2.2.6倍频程超宽带光谱：覆盖可见光到近红外

当泵浦能量提升至121飞焦尔时，系统产生了覆盖443纳米（nm）至2676纳米（nm）的连续相干光谱——跨度高达2.6个倍频程（1个倍频程意味着频率范围翻倍，2.6倍频程相当于频率覆盖从约110THz到675THz）。

这一光谱范围不仅包含了整个可见光波段（400760nm），还延伸至近红外波段（7602500nm），而近红外波段正是生物组织成像、环境污染物检测、光纤通信的关键频段。实验还验证了全光谱的相干性，确保了其在精密测量中的可靠性。

3.新物理机制：解锁OPO的“相干转变”规律

在远超阈值的泵浦条件下，团队还发现了一种此前未被观测到的物理现象：OPO系统会经历“相干非相干重新恢复相干”的动态转变。通过理论分析，他们揭示了这一转变的核心机制——腔内非线性相移与腔失谐相互补偿，最终让系统重新回到稳定的相干状态。

这一发现不仅加深了对光学参量振荡过程的物理理解，更为未来调控光频梳的相干性、设计更稳定的集成光学器件提供了新的理论指导。

推动集成光子学革命：从实验室到应用场景的跨越

这项成果的价值远不止于“刷新纪录”，它直接破解了困扰集成光子学领域多年的“能耗瓶颈”，为一系列前沿应用开辟了“完全集成”的路径：

集成超短脉冲光源：超短脉冲激光是生物成像、精密加工的核心工具，而该OPO产生的宽谱相干光可直接用于生成飞秒级超短脉冲，且能耗极低，有望集成到芯片级成像设备中，推动便携式高分辨率显微镜的发展。

双光梳光谱仪：双光梳光谱技术能快速、高精度分析物质的化学成分（如气体分子、生物分子），此前因能耗高难以小型化。该成果为低功耗双光梳系统提供了核心器件，未来可用于环境监测（如实时检测大气污染物）、医疗诊断（如血液成分快速分析）。

光学频率合成仪：光学频率合成仪是原子钟、量子计算的关键部件，对能耗与集成度要求极高。该光频梳的低能耗与集成特性，将推动下一代高精度原子钟向“芯片级”演进，为卫星导航、量子通信提供更精准的计时支撑。

从性能对比来看，该团队的TFLNOPO光频梳在能耗、光谱宽度上全面超越传统集成方案（如硅基、氮化硅基系统），甚至媲美部分自由空间与光纤系统，却保持了芯片级的集成潜力。

结语：集成光频梳的“下一站”

Marandi团队的这项研究，不仅是一次技术突破，更是集成光子学发展的重要里程碑——它证明了飞焦耳量级的低能耗与多倍频程的宽谱相干性可以在芯片上共存。未来，随着TFLN平台工艺的进一步优化，我们有望看到光频梳的阈值进一步降低、光谱范围向中红外甚至太赫兹波段拓展，同时与其他集成光学器件（如调制器、探测器）实现单片集成。

当高精密光学系统不再受限于“大体积、高能耗”，无论是便携式医疗设备、深空探测中的微型传感器，还是量子芯片中的光量子调控单元，都将迎来全新的发展可能。这场“光学尺子”的小型化革命，才刚刚开始。

论文信息

标题：Multioctave frequency comb from an ultralowthreshold nanophotonic parametric oscillator

作者：Ryoto Sekine, Robert M. Gray, Luis Ledezma, Selina Zhou, Qiushi Guo & Alireza Marandi

期刊：Nature Photonics

发表日期：2025年9月12日